Régulation de Température « tout ou rien »

Etudiants :

Mélody CAILLER Hélène CUCU

Youri PORTAILLER Aiwei SUN

Nathalie VALLEE Bukhari YUSOF

Enseignant-responsable du projet :

François GUILLOTIN

Projet de Physique P6-3

STPI/P6-3/2011 – 030

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INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE ROUEN

Département Sciences et Techniques Pour l’Ingénieur

BP 8 – avenue de l'Université - 76801 Saint Etienne du Rouvray - tél : +33(0) 2 32 95 66 21 - fax : +33(0) 2 32 95 66 31

Date de remise du rapport : 18/06/2011

Référence du projet : STPI/P6-3/2011 – 030

Intitulé du projet : Régulation de température « tout ou rien »

Type de projet : expérimentale (compréhension d’un système)

Objectifs du projet :

Le premier objectif est de comprendre le fonctionnement des différentes parties d’un régulateur de température tout ou rien. En outre, nous avons cherché à déterminer les solutions techniques répondant à notre cahier des charges à savoir réaliser la régulation de la température d’un bassin d’eau chaude.

Le second objectif est de développer nos capacités de travail en équipe dans la réalisation d’un projet.

Mots-clefs du projet : régulation, relais statique, hystérésis

TABLE DES MATIERES

1. Introduction ......................................................................................................................... 7

2. Méthodologie / OrgaNisation du travail .............................................................................. 8

.................................................................................................................................................... 9

3. TRAVAIL réalisé et résultats ............................................................................................ 10

3.1. Le thermomètre électrique ........................................................................................ 10

3.1.1. Etage A0 et A1 : le capteur de température1 ................................................... 10

3.1.2. Étages A2 et A3 ................................................................................................. 13

3.1.3. Résultats des tests ............................................................................................. 14

3.2. La consigne ............................................................................................................... 15

3.2.1. Définition et réalisation ....................................................................................... 15

3.2.2. Fonctionnement d’une résistance variable en rhéostat : ................................... 15

3.2.3. Calcul de la valeur des résistances et .................................................... 16

3.2.4. Résultats expérimentaux :.................................................................................. 17

3.3. Le comparateur à hystérésis inverseur ..................................................................... 18

3.3.1. Rôle du comparateur/régulateur ........................................................................ 18

3.3.2. Notre réalisation ................................................................................................. 19

3.3.3. Calcul des résistances et : .................................................................... 19

3.3.4. Résultats expérimentaux .................................................................................... 21

3.3.5. La diode Zener ................................................................................................... 21

3.4. Le relais statique........................................................................................................ 22

3.4.1. Définition ............................................................................................................. 22

3.4.2. Avantages et inconvénients ............................................................................... 23

3.4.3. Notre réalisation ................................................................................................. 23

3.4.4. Le triac ................................................................................................................ 25

3.5. Schéma général......................................................................................................... 26

4. Conclusions et perspectives ............................................................................................. 27

4.1. Conclusions sur le travail réalisé ............................................................................... 27

4.2. Conclusions sur l’apport personnel de cet E.C. projet .............................................. 27

4.3. Perspectives pour la poursuite de ce projet .............................................................. 28

5. Bibliographie ..................................................................................................................... 29

6. Annexes ............................................................................................................................ 30

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REMERCIEMENTS

Nous souhaitons profiter de ce dossier pour remercier notre encadrant Mr Guillotin pour ses explications et son aide au cours du projet. Nous souhaitons également remercier les techniciens pour leurs conseils et leur présence.

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NOTATIONS, ACRONYMES

TOR: “Tout ou rien”

: Tension consigne

: Tension en sortie du comparateur

: Tension en sortie de la diode Zener

: Tension en sortie de l’étage A3

: Tension aux bornes de la diode zener

: Tension aux bornes de la résistance réglable

: Tension aux bornes de la sortie de l'étage A1

: Tension aux bornes de la diode (capteur de température)

: Tension aux bornes de la sortie de l'étage A2

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1. INTRODUCTION

La notion de régulation d’un système dynamique est présente partout dans les domaines de l’industrie qu’il s’agisse de la chimie ou de l’énergétique. Il est donc primordial en tant que futurs ingénieurs de comprendre ce dispositif très répandu dans la plupart des processus industriels.

La régulation permet de maintenir une grandeur physique (grandeur réglée) à une valeur constante (consigne) quel que soit les perturbations créées par l’environnement. Généralement, c’est l’action d’une grandeur dite « réglante » sur le processus c'est-à-dire le composant que l’on veut réguler qui permettra cette régulation.

Dans le cadre de notre projet, nous nous sommes penchés sur la régulation de température « tout ou rien ». Le tout ou rien consiste à partir d’une valeur de chauffage désiré (consigne) à déclencher le chauffage quand la température mesurée est inférieur à la température voulu et à l’arrêter lorsque la température mesurée est supérieur.

Pour prendre un exemple de système que beaucoup de gens utilisent au quotidien, surtout en hivers, le thermostat d’une chaudière fonctionne en tout ou rien. L’utilisateur entre la valeur de température qu’il veut pour sa maison, en fonction de cette température dite de consigne et en toute logique quand il fait plus froid que la consigne la chaudière se met en route et quand il fait plus chaud elle s’éteint.

La grandeur réglée est la température, la grandeur réglante, qui va être utilisée pour transmettre les informations aux différents composant dans le système électrique est la tension.

Le principe de fonctionnement du régulateur TOR peut être expliqué simplement comme suit. Tout d’abord, le capteur de température mesure une température qu’il convertie sous forme d’une tension transmise au comparateur. Ensuite, cette tension est comparée avec la tension dite consigne correspondant à la valeur de température réglée par l’utilisateur. Enfin, en fonction de la valeur de la tension en sortie du comparateur le relais statique enclenche ou non l’enclenchement de l’organe de chauffage.

Figure 1 : Schéma général du principe de régulation de température TOR

8

2. METHODOLOGIE / ORGANISATION DU TRAVAIL

C’est la conjonction d’une organisation adéquate, et d’une méthodologie efficace qui permet la réussite d’un tel projet. Ainsi, nous avons travaillé à l’établissement d’une bonne répartition des tâches. Pour ce faire, nous nous sommes séparés en deux groupes de trois personnes, le premier s’est intéressé à la mesure de la température et le deuxième à la partie régulation en elle même. Cette répartition dans les groupes s’est évidemment fait en considérant les difficultés imposées par la barrière de la langue. En effet, notre groupe étant constitué de 4 élèves francophones et 2 élèves étrangers, nous avons composé nos groupes afin qu’il contienne un étranger chacun.

Au sein du groupe s’étant chargé des modules consigne, comparateur et relais, le travail s’est fait de façon collaborative. En effet, nous avons travaillé le plus souvent ensemble. Malgré le fait que nous ayons chacun des domaines de compétences particuliers, nous nous sommes attachés à travailler conjointement afin de conjuguer au mieux nos compétences. Néanmoins, afin d’accélérer notre avancée sur le projet, il s’est avéré parfois nécessaire de diviser les tâches au sein de ce sous-groupe. Ainsi, étant donné que notre démarche s’est à la fois appuyée sur l’expérimental et le théorique chacun s’est illustré dans le domaine dans lequel il était le plus compétent.

Par exemple, Nathalie plus à l’aise avec l’expérimental, a pris particulièrement en charge la mise en place des montages test et l’utilisation des appareils de mesure. Tandis que Mélody et Aiwei se sont concentrés sur la théorie en travaillant respectivement sur la réalisation des calculs et les recherches bibliographiques. Enfin, l’exploitation et l’analyse des résultats ont toujours été faites par tous. Nous étions trois à nous occuper de la réalisation du thermomètre électrique (Youri, Bukhari et Hélène).

Nous nous sommes ensuite répartis les tâches de la façon suivante. Youri s'est occupé dans un premier temps du dessin sur ordinateur (Micrografx) puis à la fin du projet, de la soudure des composants sur le circuit imprimé. Bukhari et Hélène se sont plus penchés sur les calculs des composants et sur les recherches bibliographiques. De cette manière nous sommes parvenus à répartir le travail de façon à ce que chacun sois dans le domaine où il est le plus à l'aise. Nous avons réalisé les tests tous les trois.

Bien que le groupe ait été séparé en 2 sous-groupes, nous avons bien évidemment réalisé des réunions chaque semaine en début de séance afin de faire un point sur l’avancée du projet.

9

Réalisation d'un régulateur TOR de

température

Caractérisation du capteur de

température

Hélène -Youri - Bukhari

Réalisation des calculs

Hélène - Bukhari

Réalisation des schémas et

soudage

Youri

Caractérisation des modules: consigne,

comparateur à hystérésis et relais statique

Mélody - Aiwei - Nathalie

Réalisation des calculs

Mélody

Recherches

bibliographiques

Aiwei

Réalisation montage

Nathalie

Analyse des résultats et tests

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3. TRAVAIL REALISE ET RESULTATS

3.1. Le thermomètre électrique

Il existe plusieurs types de thermomètre électrique, parmi ceux-ci nous pouvons citer les thermomètres à résistance métallique, les thermistances, les thermocouples ainsi que les thermomètres à diode (de silicium).

Les thermomètres à résistance métallique (platine ou nickel) ont une résistance qui augmente avec la température. Leur principale avantage est que la résistance de platine est obtenue avec une grande pureté cependant son temps de réponse est long et sa sensibilité assez faible. Les thermocouples sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. Leur principal défaut est leur imprécision : il est relativement difficile d'obtenir des mesures avec une erreur inférieure à 0,1 °C - 0,2 °C. La mesure de température par des thermocouples est basée sur l'effet Seebeck.

Les thermistances utilisent la variation de la résistance d’oxydes métalliques en fonction de la température. Leurs principales qualités sont : la précision, la linéarité, la valeur nominale pour une température donnée (à 25 °C), le temps de réponse (en seconde), la sensibilité ou coefficient de température (variation de la résistance en fonction de la température), l’étendue ou gamme de mesure (température min. et max. d’utilisation), la durée de vie, la stabilité (variation des différents paramètres dans le temps), l’encombrement, le coût, la puissance.

Nous avons décidé d'utiliser le dernier type de capteur électrique qui est le thermomètre électrique à diode. Le capteur électronique à diode a pour avantages d'être peu coûteux, d’assurer une grande fiabilité même à température élevée, d'encombrer un minimum, de ne faire intervenir que des appareils usuels (contrôleur et interface d'acquisitions) et des fonctions électroniques élémentaires avec amplificateur opérationnel ce qui est donc plus simple pour nous à étudier.

3.1.1. Etage A0 et A1 : le capteur de température1

Figure 2 : Schéma global du capteur de température

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Définitions et rôle dans le circuit

Le capteur de température a pour rôle de transformer une grandeur physique (ici la température du liquide) en une tension mesurable Ud. Pour cela, nous avons utilisé une diode silicium1N4148. Une diode a pour propriétés de laisse passer le courant dans un sens ( sens dit « passant » ) et pas dans l’autre ( sens dit « bloqué » ). Le courant circule de l’anode à la cathode : dans le sens de la flèche du symbole.

La tension aux bornes de cette diode présente, lorsqu'elle est alimentée en courant constant, une sensibilité d'environs – 2,15 mV/°C. L'étage 1 consiste avant tout à fournir ce courant constant et ceci à l'aide d'une diode Zener qui permet de stabiliser la tension de sortie. La diode Zener est une diode qui présente une tension inverse (tension Zener) ou tension d'avalanche. A la différence d'une diode ordinaire, la diode Zener est conçue de façon à laisser passer le courant inverse mais uniquement si la tension aux bornes du composant est plus élevée que le seuil d'avalanche. Nous avons choisi comme tension seuil la valeur 0,6V.

Composants, description et calculs

Cet étage est constitué des composants suivants :

Deux piles de 9V qui alimentent le thermomètre

Une résistance de 4,7V

Une diode Zener de tension 5,1 V

D'une résistance réglable qu'il faudra régler lors de l'expérience.

D'une résistance de 10 kΩ.

Grâce au principe du pont diviseur de tension, nous obtenons la valeur de la résistance

réglable :

Grâce à une lecture du schéma et aux caractéristiques des différents composants, nous pouvons écrire les relations suivantes :

12

De plus, nous savons que la tension est une fonction affine de la température, on a donc :

avec (sensibilité de la diode)

et (tension au borne de la résistance réglable à θ = 0)

Or on veut :

si et si

Donc si θ = 0 on obtient : = 0

D’où

= 4,5 V

Reprenons l'expression donnée par le pont diviseur de tension :

: ⇒

⇒

;

𝑅𝑝 6 3

5 ; 6 =1333 Ω

13

3.1.2. Étages A2 et A3

L’étage A2 correspond à un montage soustracteur qui sert à transformer la tension E1 (qui est sous la forme de E1=Ud +E0) en une tension E3=k.θ. C’est avec cette tension, proportionelle à la température, qui va nous permettre de comparer la tension, donc la température du bain par rapport à la consigne donnée.

Ici, il faut que soit égale à 0 pour que soit proportionelle à la température.

L’étage A3 correspond à un amplificateur inverseur. On cherche à inverser le signe négatif de

la tension en une tension positive . Comme la tension est trop faible, il faut également chercher à l’amplifier.

donc 3

On a prévu un rapport de 5V pour une augmentation de température de 0°C à 100°C, d’où

k=0,05. On peut donc déterminer la valeur approximative de . L’amplificateur est supposé

idéal, et en régime linéaire on a V + = V- = 0 (relié à la masse) donc le théorème de Millman

s’applique.

On a donc : ;

: 3

:

Avec

3

D’où le résultat :

𝑅𝐺 𝑘 𝑅6

𝑎 3 𝐾Ω

14

3.1.3. Résultats des tests

Nous avons effectué l'expérience avec une alimentation fixée à 9 V et de courant 100 mA au lieu d'utiliser des piles comme prévu initialement.

Dans un premier temps, nous avons dû régler le circuit. Pour cela nous avons immergé la diode dans de l'eau dont la température était proche de 0 °C pour ensuite régler le premier potentiomètre pour qu'il ait une tension de 0 V (ainsi à thêta = 0 nous avions Up = 0). Nous avons ensuite plongé la diode dans de l'eau chaude environnant les 55 °C pour pouvoir régler la valeur du second potentiomètre pour qu'il ait une tension de 2,75 V. Le circuit étant ainsi réglé, nous avons ensuite cherché à étalonner notre thermomètre. Pour y parvenir, nous faisions baisser la température de l'eau en y ajoutant de l'eau glacée et nous mesurions la tension aux bornes de la sortie E3 de notre circuit pour que chaque température obtenue corresponde à une tension. C'est grâce à ces valeurs que nous avons pu obtenir notre courbe.

Ci-dessous figure la courbe faite sous Synchronie, avec le modèle de la tension de sortie E3 en fonction de la température en Celsius, θ. Nous en déduisons la pente, a = 0,05033 et la valeur de b = -0,0067 V qui s'approche de 0. Cette imprécision est dû aux de précision dans les mesures et les calculs.

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3.2. La consigne

3.2.1. Définition et réalisation

Dans le cadre de la régulation d’un système dynamique, la consigne désigne la valeur souhaitée pour la variable à régler. Ici, la consigne correspond à la valeur de la température désirée par l’utilisateur du régulateur.

Comme énoncé en introduction cette valeur consigne, convertie en tension, est comparée en permanence avec la tension mesurée par le capteur. Ainsi, il nous a fallu concevoir un montage qui puisse permettre la conversion de la température désirée en une tension.

Pour ce faire nous avons réalisé le montage suivant constitué de deux alimentations +15V et -15 V, de deux résistances fixes et d’une résistance variable. Le tout constitue en un pont diviseur

de tension, dont la tension en sortie est fonction de la valeur de la résistance variable. Ainsi,

en choisissant la valeur de , on fixe la valeur de la tension consigne correspondant, à un coefficient près, à la température recherchée par l’utilisateur.

Figure 3 : Schéma de principe de la consigne

3.2.2. Fonctionnement d’une résistance variable en rhéostat :

Une résistance variable est constituée de trois bornes dont deux d’entre elles sont liées à une piste résistive sur laquelle se déplace un curseur auquel est reliée la 3ème borne. Comme indiqué sur le schéma ci-après, le courant passe de façon partielle sur la piste résistive, modifiant ainsi la valeur de la tension entre la borne reliée au curseur et la borne fixe supérieure. En conséquence, on observe donc une modification de la valeur de la résistance de la piste. Autrement dit, la variabilité de la valeur de résistance dépend de la distance entre la borne fixe supérieure et le curseur. On définit la position du curseur grâce à un paramètre α variant de 0 à 1, où 0 correspond à une traversée nulle de la piste, et 1 une traversée totale. De fait, si le curseur est positionné en α = 0 la valeur de la résistance variable sera nulle, tandis que si α = 1 la résistance

variable prendra sa valeur maximale

.

16

Figure 4 : Schémas architectural et de fonctionnement

Remarque : le choix particulier du montage en résistance variable s’explique par le fait que nous avons préféré favoriser une faible oxydation de la piste résistive due aux nombreux passages du courant sur cette dernière.

3.2.3. Calcul de la valeur des résistances et

Données :

- On a choisi d’utiliser une résistance variable pouvant prendre des valeurs de 0 à 10KΩ.

- Le rapport tension/ température est tel que :

Etant donné que l’on souhaite réguler la température entre 40°C et 80°C, la tension consigne

doit variée entre 2V et 4V. Il nous faut donc déterminer les valeurs de 7 et 8 tels que la

tension soit comprise dans l’intervalle précédemment explicité.

Mathématiquement, la détermination de 7 et 8, se fait par la résolution d’un système linéaire de 2 équations à 2 inconnus, obtenu en considérant 2 configurations particulières du

montage. Dans un premier temps, on s’intéressera à la configuration = 0 Ω (résistance

variable minimale) et à la configuration = 10 KΩ (résistance variable maximale).

Du schéma Figure 3 : Schéma de principe de la consigneon en déduit que :

7 8

7 8

7 8

3

7 8

Avec et

17

y = -0,0002x + 3,9825 R² = 0,9979

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 2000 4000 6000 8000 10000

Ten

sio

n U

c en

V

Résistance Rp en Ohms

Uc = f(Rp)

Dans la configuration = 0 Ω on a la tension consigne maximale soit :

On obtient :

: : ⇒

:

Dans la configuration = 10 KΩ on a la tension consigne minimale soit :

On obtient :

: : ⇒

: : 3

Soit le système suivant :

:

: : 3

Après substitution de 7 9

8 dans (2) :

7 9

8

( 9

8 8 )

57

8

D’où après simplification :

3.2.4. Résultats expérimentaux :

Afin de s’assurer de la véracité de nos calculs, nous avons observé l’évolution de la tension

en fonction de la résistance variant de 0 à 10 Kohms. Ci-dessous le graphique

représentant .

𝑅8 9 5

𝛺 ≈ 3 𝛺 et : 𝑅7

6 5

𝛺 ≈ 3833𝛺

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L’acquisition corrobore les résultats théoriques précédemment établis. En effet on constate une évolution linéaire de la tension entre 2V et 4V, ce qui correspond tout à fait à nos exigences. Ainsi, en modifiant la résistance on obtient bien une évolution de la tension consigne significative d’une variation de la température consigne entre 40°C et 80°C.

3.3. Le comparateur à hystérésis inverseur

3.3.1. Rôle du comparateur/régulateur

Le comparateur ou régulateur désigne au sens le plus général du terme l’organe « intelligent » ou le cerveau de la boucle de régulation.

Dans notre cas, le but étant la régulation de la température, le comparateur a pour fonction le contrôle de l’organe de commutation (relais statique) de l’élément chauffant. Autrement dit, lorsque la température du bain est inférieure à la consigne le comparateur doit assurer le déclenchement du processus de chauffage. Tandis que lorsque la température est supérieure au besoin exprimé, le comparateur doit commuter le relais statique afin d’arrêter le chauffage.

Ainsi, dans le cadre de notre projet « régulation de température tout ou rien », nous avons choisi d’utiliser un régulateur TOR avec hystérésis. Ce régulateur comme le régulateur TOR simple élabore une fonction de commande discontinue ne prenant que 2 valeurs possibles 0 ou 1. C'est-à-dire qu’il enclenche soit la puissance maximale de chauffe soit la puissance nulle.

C’est d’ailleurs cette caractéristique qui donne son nom au régulateur « tout ou rien », puisque la grandeur réglée varie de façon non progressive d’une grandeur à l’autre.

La différence entre les 2 régulateurs réside dans la détermination des seuils de basculement d’un régime de fonctionnement à l’autre. Pour le régulateur TOR à hystérésis on définit la consigne et l’écart entre ses deux seuils appelé l’hystérésis. Logiquement, plus l’hystérésis est faible, plus la précision de notre système de régulation est grande, puisque la température varie dans un intervalle de faible amplitude. Pour le régulateur TOR simple, on précise uniquement la valeur de la température désirée. Dès lors que la température devient inférieure à la consigne la chauffe est réenclenchée.

Ainsi, on peut déduire de ces considérations que le régulateur TOR avec hystérésis est plus adapté à nos besoins. Effectivement, le fait que la température oscille dans un intervalle plus grand implique une augmentation de la stabilité et par la même occasion une limitation du phénomène de pompage (réduction du nombre de commutation). De plus, étant donné que notre système a une forte inertie thermique, il se prête parfaitement à ce type de régulation. Il convient tout de même de souligner que dans le cas d’un système avec hystérésis (phénomène de retard de l’effet sur la cause), la précision de la régulation est plus faible.

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Figure 5 : Schéma de principe des cycles de régulations TOR avec et sans hystérésis

3.3.2. Notre réalisation

Pratiquement, le comparateur à hystérésis que nous avons réalisé utilise un montage de base de l’amplificateur opérationnel communément appelé : « comparateur à deux seuils ou Trigger de Schmitt » inverseur. Ci-dessous le schéma du montage du comparateur.

Figure 6: Montage du comparateur

Remarque : Nous avons préféré utilisé un comparateur à hystérésis inverseur à la place d’un comparateur à hystérésis simple car le premier montage ne nécessite pas l’ajout d’un montage inverseur en aval.

3.3.3. Calcul des résistances et :

On a choisi une précision de notre régulateur de 0.5°C, autrement dit, la température de notre bain d’eau chaude oscille de façon permanente autour de la valeur consigne avec un écart (hystérésis) de plus ou moins 0.5°C.

20

Etant donné que le facteur multiplicatif entre la température et la tension est défini tel que :

, la différence entre la tension consigne et la tension mesurée ne doit pas

excédée 0.025V.

On veut donc la largeur de la fenêtre du cycle égale à 0.05V.

Or on a

Où est la tension de basculement positif faisant passer la tension en sortie de

(tension de saturation positive de l’AOP) à - (tension de saturation négative de l’AOP)

et est la tension de basculement négatif faisant passer de à .

Déterminons et :

Dans un premier temps, il convient de préciser qu’étant donné l’absence de contre-réaction sur l’entrée inverseuse, ce montage fonctionne en régime non linéaire ou saturé. Ainsi, on a :

: ; : ;

: ;

Néanmoins, le passage d’un état saturé à un autre se fait toujours par un passage en régime linéaire. De fait, l’utilisation des caractéristiques d’un amplificateur opérationnel en mode linéaire est correcte.

Par application du théorème de Millman on a : :

:

:

:

:

On a en outre, ;

Soit la tension différentielle : : ;

:

:

D’après l’hypothèse de fonctionnement en régime linéaire lors du passage d’un état saturé à un autre on a :

= 0 ⇒ : ; ⇒

:

:

Suivant le signe de on peut donc définir la tension de basculement positif et la

tension de basculement négatif tel que :

Ainsi = : ;

:

:

:

:

;

:

:

:

;

:

:

D’où 𝑉𝑇 𝑈𝑓 = 𝑈𝐶𝑅

𝑅 :𝑅

: 𝑉𝐶𝐶 𝑅

𝑅 :𝑅 et 𝑉𝑇 𝑈𝑓 =

𝑈𝐶𝑅

𝑅 :𝑅

; 𝑉𝐶𝐶 𝑅

𝑅 :𝑅

21

Etant donné que =

:

3.3.4. Résultats expérimentaux

La confrontation des résultats théoriques et expérimentaux est satisfaisante, puisque pour

des valeurs de résistances 9 et , on obtient bien ≈ . Ci-dessous

l’acquisition faite sous Synchronie, avec en abscisse la tension en sortie du capteur de

température et en ordonnée la tension en sortie de du comparateur.

Remarque : Les acquisitions ont été réalisées à très basse fréquence, et le temps d’acquisition choisi est très faible ce qui explique la visualisation d’un unique passage sur le cycle.

De plus, on explique la présence d’une pente sur la caractéristique de transfert par l’existence d’une vitesse limite de balayage (ou slew rate) de l’amplificateur opérationnel. Cette dernière représente la variation maximale de tension par unité de temps que peut produire un amplificateur (égale dans notre cas à 8V/μs). Ainsi, la tension de sortie des amplificateurs ne peut pas varier d’une valeur à une autre de façon instantanée. On notera, que le coefficient directeur de la droite est très proche de la valeur du slew rate.

3.3.5. La diode Zener

Comme expliqué ci-avant, la tension en sortie du montage comparateur prend deux valeurs, soit elle est égale à +Vcc c'est-à-dire + 15V soit elle est égale à – Vcc c'est-à-dire -15 V. Or l’organe de commutation du chauffage, le relais statique, ne fonctionne qu’avec une tension d’entrée de 5V. Afin d’obtenir une tension d’alimentation de l’organe de commande conforme, nous avons donc choisi l’implantation d’une diode Zener de 4,7V, comme spécifié sur le schéma ci-dessous.

En fixant 𝑅9 𝐾𝛺 on a 𝑅 𝐾𝛺

En fixant 𝑅 𝐾𝛺 on a 𝑅4 𝐾𝛺

22

Cette dernière permet donc la conversion de la tension en une tension ne prenant que 2 valeurs 0 ou 5V. C’est à dire que les – 15V seront convertit en 0V par la diode Zener tandis que les +15 V seront eux convertit en 5V. Les calculs suivants expliquent ce phénomène.

Les caractéristiques de la diode Zener nous permettent d’obtenir les relations suivantes :

Sachant que : , et on obtient :

3.4. Le relais statique

3.4.1. Définition

Le relais qu’il soit statique, mécanique ou encore électromécanique, est un organe permettant la commutation entre deux liaisons électriques et dans une moindre mesure l’isolation galvanique entre les 2 parties. Autrement dit même si les deux liaisons électriques sont voisines le courant ne se transmet pas de façon directe mais de façon indirecte (par exemple liaison lumineuse ou une liaison électromagnétique). Son rôle est de transmettre un ordre de la partie commande à la partie puissance d’un appareil électrique. Ici, le rôle du relais statique est d’assurer la commutation de l’organe de chauffage en fonction de la différence entre la température consigne et la température mesurée par le capteur. Concrètement, lorsque la température du bain d’eau chaude est supérieure à celle de la consigne, le relais ne doit pas alimenter l’organe de chauffage. Tandis que lorsque la température régulée est inférieure à la valeur consigne, le relais doit assurer l’enclenchement du chauffage du bain.

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Dans le cadre de notre manipulation, nous utilisons un relais dit « statique ». Le relais statique est un interrupteur sans contact, composé de circuits microélectroniques, dispositifs électroniques de puissance discrets.

3.4.2. Avantages et inconvénients

Avantages :

Sa durée de vie s’élève à plus de 125 000 heures quel que soit le nombre de commutations, car il n’y a pas d’usure mécanique. En parallèle la durée de vie d’un relais mécanique dépend du nombre de commutation. Le relais statique est donc plus adapté à une régulation de température qui implique des commutations fréquentes.

Le courant de commande est plus faible que les relais électromagnétique, surtout pour les relais de forte puissance. Le relais statique ne nécessite donc pas de forte intensité.

Son fonctionnement est pratiquement silencieux. Ce qui apporte un avantage considérable pour l’utilisation dans des environnements type hôpitaux. Il est aussi plus adapté pour les milieux explosifs, due à l'absence d'arcs électriques.

Inconvénients :

Dans le domaine des hautes fréquences, le relais statique ne peut que très rarement être utilisé. Cela est dû à sa capacité de sortie plus élevée.

Quand il s’agit de commuter des courants de plusieurs ampères, on peut observer un échauffement excessif du relais, ce qui peut imposer une ventilation forcée.

Le cout de fabrication est plus élevé si l’on veut inclure des contacts multiples.

Une déconnection physique n’est pas toujours possible avec un relais statique ce qui implique qu’il ne peut pas être utilisé dans les cas de certaine manipulation pour des raisons de sécurité.

3.4.3. Notre réalisation

Le montage que nous avons utilisé est composé de 3 résistances, un transistor de commutation, une DEL, un optocoupleur et un triac. Le tout réalise une fonction d’interfaçage entre le circuit de puissance et le circuit de commande. Ci-dessous le schéma du montage du relais statique.

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Descriptif des composants électriques principaux du relais statique :

L’optocoupleur ou photocoupleur est un composant électronique permettant la transmission d’un signal de la partie commande à la partie puissance, toutes deux isolées l’une de l’autre d’un point de vue électrique. Une telle isolation est essentielle dans notre situation, car elle évite de rendre la masse commune à la partie commande basse tension et à la partie commandée sous 230V. Comme évoqué précédemment, la transmission d’information ne se fait pas de manière directe, ici elle se fait par l’intermédiaire d’un signal lumineux. Lorsque la diode électroluminescente est soumise à une polarisation directe, elle émet un signal lumineux qui est reçu par un récepteur sensible à la lumière. Ainsi, lorsque ce dernier est activé par la lumière il génère une tension transmise à la partie puissance.

Le triac communément appelé thyristor bidirectionnel est composé de 2 électrodes principales A1 et A2 et d’une gâchette G permettant l’enclenchement du triac. Ainsi, une fois enclenché par une impulsion sur la gâchette le Triac devient passant jusqu’au moment où le courant devient inférieur au courant de maintien (holding current égal à 5mA dans notre cas). Il en résulte qu’une fois le triac enclenché, le courant qui le traverse est indépendant du signal appliqué sur la gâchette.

Fonctionnement du relais statique :

En entrée de la partie commande, le relais statique reçoit la tension en sortie de la diode Zener. Comme expliqué ci-avant, cette tension prend deux valeurs, ainsi deux cas peuvent se présenter.

Cas n°1 :

Si , d’après les raisonnements établis précédemment cela implique que la tension en

sortie du comparateur est négative, autrement dit que la tension ou plus simplement

que la température mesurée est supérieure à la température consigne, le relais statique doit donc interrompre l’alimentation du chauffage.

On comprend assez aisément, que si la tension en entrée du relais statique est nulle, aucun signal ne passe dans la partie commande, qui ne transmet donc aucun ordre à la partie puissance. Ainsi, le triac n’étant pas passant, l’organe de chauffage est éteint.

Cas n°2

Si , d’après les raisonnements établis précédemment cela implique que la tension en

sortie du comparateur est négative, autrement dit que la tension ou plus simplement

que la température mesurée est inférieure à la température consigne, le relais statique doit donc assurer la mise en marche du chauffage.

Dans ce cas, le signal électrique émis par le comparateur est transmis depuis la partie commande jusqu’à la partie puissance par l’intermédiaire de l’optocoupleur selon les modalités évoquées ci-avant. Au niveau de la partie puissance la gâchette est activée, le triac laisse donc passer le courant et permet l’alimentation de l’organe chauffant. Enfin, l’eau chauffe puis sa

température augmente jusqu’à atteindre + hystérésis, et un nouveau cycle commence.

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3.4.4. Le triac

Le triac étant l’un des éléments essentiels du relais statique nous nous sommes beaucoup intéressés à comprendre son fonctionnement. Pour ce faire nous avons tout d’abord considéré une configuration simple illustrée par le schéma électrique suivant.

Dans un premier temps, nous avons observé les caractéristiques du triac de façon très visuelle en montant une DEL en série de la résistance de 1KΩ. Ainsi, on a pu constater très simplement que lorsque l’interrupteur est fermé la DEL est allumée, tandis qu’elle s’éteint lorsque l’interrupteur est ouvert.

Ensuite, nous avons réalisé une acquisition de la tension aux bornes de la résistance de 1KΩ et de la tension en entrée du circuit en fonction du temps.

Remarque : la courbe bleue correspond à la tension en entrée et la courbe noire correspond à la tension aux bornes de la résistance de1KΩ.

L’acquisition est en adéquation avec les résultats théoriques. Lorsque la tension en entrée est nulle la différence de courant entre les électrodes A1 et A2 est nulle, le triac est donc non passant d’où une tension nulle aux bornes de la résistance de 1KΩ. En revanche, lorsque la tension en entrée est de 5V, le courant entre les bornes A1 et A2 est supérieure au courant de maintien, et le triac est passant. D’où l’observation d’une tension non nulle aux bornes de la résistance de 1KΩ.

Nous avons constaté expérimentalement, qu’en remplaçant l’alimentation +10/-10V par une alimentation en courant continu, une simple ouverture de l’interrupteur n’entraine pas une annulation de la tension aux bornes de la résistance de 1KΩ. Ce phénomène est normal pour que le triac se désamorce il est nécessaire de couper l’alimentation et le courant qui circule entre les bornes A1 et A2.

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UC Uf

3.5. Schéma général

Consigne

Température

mesurée

Comparateur à

hystérésis

Diode zener

Relais statique

+15 V

- 15V

5 V 0V

Système de

chauffage

Allumer

Coupe

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4. CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

4.1. Conclusions sur le travail réalisé

Après un semestre de travail hebdomadaire sur ce projet, avons-nous atteint nos objectifs ?

Les études théoriques du thermomètre, du comparateur, et du relais ont étés menées à bien et vérifiées, et la réalisation du thermomètre est achevée et fonctionnelle. Et même s'il reste toujours des moyens d'aller plus loin dans la poursuite du projet, ce dossier relate la chronique d'un travail mûr constituant déjà une fin en soi.

Maintenant qu'il est l'heure du bilan, évoquons les enseignements tirés par l'ensemble du groupe. Ce fut pour tous le moyen d'apprendre et de revoir ses connaissances théoriques de l'électricité, mais surtout d'établir un contact plus prolongé avec l'exercice particulier qu'est le projet. Ni TP, ni TD, il nous a forcés à sortir de nos habitudes. Bien qu'encadrés, traduire soi-même l'objectif du projet en normes à respecter, faire ses études théoriques, trouver soi-même ses erreurs, vérifier et vérifier à nouveau le travail effectué avant de passer à l'étape supérieure, quitte à revenir en arrière, se confronter aux contraintes d'une réalisation pratique, trouver des solutions aux difficultés rencontrées, choisir une de ces solutions non préétablies, nous a permis de redéfinir la notion de ce qu'est le travail.

En ce qui concerne le travail en groupe, bien que nous ayons eu des difficultés avec les barrières des langues, les disponibilités de chacun, et la charge de travail à effectuer, nous avons pourfendu ces obstacles en répondant par une répartition efficace des tâches, ce qui nous a permis de fusionner nos forces vives et nos domaines de connaissance complémentaires en ce document que vous tenez dans vos mains et qui témoigne de notre réussite.

4.2. Conclusions sur l’apport personnel de cet E.C. projet

4.2.1. Aiwei

Je pense que notre projet est très pratique, car il a une large application dans la vie quotidienne. Grâce à ce projet, je connais la régulation de température et le fonctionnement du relais statique, du triac....C'est ma première collaboration avec des étudiants français sans autre chinois. Bien qu'il existe des obstacles à l'échange, j'essaie d'apporter ma contribution à notre projet. Donc j'ai eu l'occasion d'améliorer ma capacité à la collaboration, et il s'agit de jeter les bases pour l'étude après.

4.2.2. Bukhari

Ce projet m’a donné la possibilité d’approfondir mes connaissances en électricité. J’ai pu mettre en pratique ce que j’avais vu en P3 et en P6-1 pour construire un capteur de température électronique afin de comprendre une régulation de température « tout ou rien ». Avoir effectué ce projet en groupe a été une bonne expérience car cela nous a appris à mieux nous organiser afin de répartir les tâches et à communiquer entre nous.

4.2.3. Hélène

Au tout début, j'appréhendais le fait d'avoir à travailler un sujet sur lequel je n'étais pas très à l'aise malgré le fait d'avoir suivi des cours d'électricité durant ma première année à l'INSA et même au lycée. Finalement, ce projet m'a permis de comprendre certaines notions que je n'avais pas assimilés comme le fonctionnement d'une diode Zener par exemple. Je pense que le fait

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d'avoir cherché comment faire un thermomètre électronique par nous-même et ensuite avoir à expliquer son fonctionnement était un moyen efficace pour mieux comprendre certains principes de l'électricité. Je suis donc satisfaite d'avoir participé à la réalisation de ce projet d'autant plus qu'il nous habitue à travailler en groupe ce qui est bénéfique pour tout élève désirant devenir ingénieur.

4.2.4. Mélody

Pour ma part, la réalisation de ce projet fut très constructive et enrichissante. N’ayant pas eu l’opportunité de suivre les cours d’électronique dispensés à l’INSA de Rouen en 1ère année, ce projet m’a permis de mieux appréhender certaines notions dans ce domaine. J’ai pu notamment, comprendre de façon beaucoup plus précise le fonctionnement d’un amplificateur opérationnel. Enfin, étant désireuse d’intégrer le département Energétique et Propulsion, ce projet a été pour l’occasion d’être au contact de l’électronique, domaine essentiel de la spécialité.

4.2.5. Nathalie

Tout d’abord ce projet m’a permis d’étudier un système de régulation que l’on peut utiliser tous les jours dans sa maison. De plus voulant intégrée le département mécanique ce projet pourra m’être utile pour mieux comprendre les cours d’électronique de l’an prochain. Ce fut une occasion de travailler en équipe constituée de français et d’étrangers avec tous les avantages et inconvénients qui vont avec. Il est en effet difficile d’expliquer à quelqu’un qui ne perçois pas toutes les finesses de la langue quelque chose que l’on a du mal à comprendre soi-même.

4.2.6. Youri

Tout d'abord, ce projet m'a fait naturellement revoir mes connaissances théoriques,

nécessaires pour faire le travail demandé,en électricité par exemple. J'ai aussi beaucoup appris

en ce qui concerne la réalisation manuelle, la conception et la réalisation de circuits imprimés.

Mais ce projet fut surtout l'occasion pour moi de me rapprocher, tout du moins, de la

notion de projet. D'une part, rester sur un même sujet pendant assez de temps pour participer à

ces différentes phases (comme : la traduction de l'objectif du projet en normes à respecter, sa

préparation théorique, et enfin sa réalisation puis tests via expériences) a permis de

démystifier considérablement la chose, et de voir l'impact concret de notre travail à la fin du

projet.

Il apporta aussi une nouvelle expérience du travail de groupe, et mis l'accent plus que

tout autre sur la nécessité de se répartir clairement les tâches, instaurer des outils de dialogues

régulier entre les membres du groupe, mettre en place un planning et le respecter.

4.3. Perspectives pour la poursuite de ce projet

Tout d’abord il faut savoir que c’est la troisième année, voir peut être plus, que ce projet est réalisé. Nous avons essayé, en nous inspirant des précédents dossiers, de compléter les études qui n’avaient pas été faites, ou que très succinctement. Nous avons corrigé certain calcul, modifié le circuit en générale pour le simplifier à certains endroits. Bien sûr il est fort probable qu’il y est encore des choses à modifier et que ce que l’on a fait n’est pas parfait. Pour la suite il serait peut être intéressant de réaliser tout le système et donc ainsi de vérifier que l’ensemble marche bien. Car même si nous avons tester les composants séparément, on ne peut pas garantir que le tout marchera correctement.

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5. BIBLIOGRAPHIE

Sites Internet :

Sonelec Musique, dernière mise à jour le 13/06/2011, création le 09/07/2004 http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_relais.html http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_triac.html http://www.sonelec-musique.com/electronique_theorie_optocoupleur.html

Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Triac http://fr.wikipedia.org/wiki/Choix_des_boucles_de_r%C3%A9gulation http://fr.wikipedia.org/wiki/Relais_statique http://fr.wikipedia.org/wiki/Optocoupleur http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermocouple http://fr.wikipedia.org/wiki/Thermistance http://fr.wikipedia.org/wiki/Diode_Zener http://fr.wikipedia.org/wiki/Amplificateur_op%C3%A9rationnel http://fr.wikipedia.org/wiki/Montages_de_base_de_l%27amplificateur_op%C3%A9rationnel

Ouvrage :

Aide-mémoire électronique. Bogdan Grabowski, Christian Ripoll et coll Edition DUNOD, l’USINE NOUVELLE. Publié en 17/11/2008.

Divers :

Documents de cours du module d’électronique 1 de Mme S.ROBINET, année universitaire 2010/2011

Documents de cours de l’EC de P3 de M. Y.MONTIER, année universitaire 2009/2010

6. ANNEXES

6.1. Documentation technique

6.1.1. Documentation technique du triac (référence TIC226M)

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6.1.1. Documentation AOP

Brochage1 DIL08: CA3140E Amplificateur opérationnel BIMOS

LF351N Amplificateur opérationnel à entrées J-FET

LF356 Amplificateur opérationnel

LM741N Amplificateur opérationnel

NE5534 Amplificateur opérationnel à faible bruit

OP27 Amplificateur opérationnel

TL071 Amplificateur opérationnel faible bruit à entrées J-FET

TL081 Amplificateur opérationnel à entrées J-FET

TLC271 Amplificateur opérationnel

Brochage2 DIL08: AD708 Amplificateur opérationnel de précision

LF353N Double amplificateur opérationnel à entrées J-FET

LM358N Double amplificateur opérationnel faible consommation

LM1458N Double amplificateur opérationnel

LM833 Amplificateur opérationnel

NE5532 Double amplificateur opérationnel à faible bruit

OP275 Amplificateur opérationnel

OP2604 Amplificateur opérationnel

OP297 Amplificateur opérationnel

TL072 Double amplificateur opérationnel faible bruit à entrées J-FET

TL082 Double amplificateur opérationnel à entrées J-FET

TLC272 Double amplificateur opérationnel

TS272 Amplificateur opérationnel

Source : http://www.zonetronik.com/modules/news/article.php?storyid=6

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6.2. Schémas de montages

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6.3. Photos de l’expérience